李小雷
(中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)有限公司,河北石家莊 050000)
改性水玻璃漿液在粉細(xì)砂地層暗挖隧道超前支護(hù)中的應(yīng)用
李小雷
(中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)有限公司,河北石家莊 050000)
在淺埋、軟弱地層中施工暗挖隧道時,圍巖自穩(wěn)時間短,不能保證安全的完成初次支護(hù)時,為確保施工安全,一般采取超前支護(hù)措施,常見的超前支護(hù)措施為超前小導(dǎo)管注漿加固,小導(dǎo)管注漿材料采用水泥漿或水泥--水玻璃雙液漿。在粉細(xì)砂層地段,因地層致密無膠結(jié),水泥漿液無法注入,石家莊地鐵暗挖隧道超前小導(dǎo)管注漿材料采用改性水玻璃漿液,改性水玻璃漿液由水玻璃、硫酸等材料按一定的比例調(diào)配而成,利用自制的簡易牛角泵在風(fēng)壓推動下,把改性水玻璃漿液通過小導(dǎo)管按一定的擴(kuò)散半徑以單液方式注入粉細(xì)砂層中,擴(kuò)散凝膠,把松散的砂粒固結(jié)成一個強(qiáng)度適中的塊體,在隧道周圍形成一個防坍塌的固結(jié)圈,從而達(dá)到砂層加固的目的。
粉細(xì)砂 改性水玻璃 注漿 加固
隨著交通事業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,新建鐵路、公路和市政工程日益增多,在軟弱圍巖及砂土層修建的暗挖隧道越來越多,在上述地質(zhì)中修建暗挖隧道普遍采用注漿法進(jìn)行地層加固處理。注漿方法包括電化學(xué)注漿、劈裂注漿、壓密注漿、滲入性注漿等,其中滲入性注漿由于其注漿壓力小,對地層結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生擾動和破壞,使用的機(jī)具、設(shè)備較簡單,施工相對容易,應(yīng)用廣泛。滲入性注漿所采用的漿液主要有水泥類漿液和化學(xué)漿液,其性能各不相同。水泥類漿液多用于斷層及斷層破碎帶注漿,一般要求被注地層孔隙大于0.2mm?;瘜W(xué)漿液的可注性較好,可用于粉、細(xì)砂注漿, 但大部分漿液成本較高,工藝較復(fù)雜。作為化學(xué)漿液的一種,水玻璃類漿材已有近百年的歷史。19世紀(jì)后期,注漿材料便從以水泥漿材為主發(fā)展到以水玻璃漿材為主,經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn),水玻璃漿材憑借其優(yōu)越的綜合性能,成為應(yīng)用最廣泛的光學(xué)注漿材料之一。水玻璃漿液雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn),但在使用過程中需具有合適的膠凝時間和適宜的強(qiáng)度,為此有必要研究適用于粉細(xì)砂層的漿液配方和注漿方法,為施工現(xiàn)場提供技術(shù)依據(jù)。
1.1 注漿原材料
水玻璃:模數(shù)2.2~2.8,濃度40Be'
硫酸:濃度98%,可用廢硫酸代替。
1.2 漿液配制
甲液:濃度15~20Be'水玻璃 乙液:15%稀硫酸
1.2.1 水玻璃的稀釋
采用邊加水邊攪拌邊用波美計(jì)測量的方法進(jìn)行,亦可用計(jì)算方法,先算出加水量,然后加入水?dāng)嚢杈鶆颉?/p>
V原=(d配-1)/(d原-1)×V配 V水=V配-V原
式中:d原、d配—分別為原水玻璃和預(yù)配水玻璃的比重
V水、V配、V原—分別為加水、原水玻璃和預(yù)配水玻璃的體積
稀釋后的水玻璃濃度為15~20Be',當(dāng)濃度小于15 Be'難于膠凝,大于20 Be'時膠凝時間過快,不能滿足漿液滲透的要求。
1.2.2 硫酸的稀釋
先算出所需濃硫酸量和加水量,然后將濃硫酸緩慢倒入水中,攪拌均勻,嚴(yán)禁將水倒入濃硫酸中。將濃硫酸稀釋成15%的稀硫酸。
1.2.3 改性水玻璃配制
在高速攪拌情況下,將水玻璃緩慢倒入稀硫酸中,其比例根據(jù)所配漿液的PH值確定,用PH試紙測其PH值。PH值是影響膠凝時間的主要因素之一,PH值在7附近時膠凝最快,在顯著的酸性范圍內(nèi),膠凝速度大為減慢。當(dāng)PH值在5~6附近時膠凝較快, PH值在3附近時,膠凝時間很慢。配制后改性水玻璃漿液的PH值控制在3~5之間,滿足注漿時膠凝時間可控、穩(wěn)定性好的要求。漿液的膠凝時間越長,施工方便,擴(kuò)散半徑大,但膠凝時間過長,則不利于施工進(jìn)度,配置好的改性水玻璃漿液的膠凝時間控制在30~60min,滿足可注性和及時開挖的要求。
2.1 小導(dǎo)管的安設(shè)
小導(dǎo)管的安設(shè)應(yīng)采用引孔頂入法。其安設(shè)步驟為:
(1)用吹管將粉細(xì)砂吹出成孔,孔徑40mm,孔深視導(dǎo)管深度而定;
(2)插入導(dǎo)管,如插入困難,可輕擊鋼管頂入;
(3)用吹風(fēng)管將管內(nèi)砂石吹出;
圖1 注漿設(shè)備系統(tǒng)圖
(4)導(dǎo)管周圍縫隙用塑膠泥封堵,并用棉紗將孔口堵塞。
暗挖隧道小導(dǎo)管超前支護(hù)一般采用φ42×3.25mm鋼管,但在粉細(xì)砂層中施工超前小導(dǎo)管注改性水玻璃漿液時,因小導(dǎo)管采用風(fēng)管將砂吹出成孔,成孔直徑40mm左右,為防止錘擊導(dǎo)管導(dǎo)致砂層脫落或塌孔,建議優(yōu)化鋼管直徑,采用φ30×3.0mm鋼管,更能適應(yīng)粉細(xì)砂層的注漿的特點(diǎn)。
2.2 注漿施工方法
2.2.1 注漿工藝
(1)注漿設(shè)備。采用自制的簡易牛角泵,利用風(fēng)壓進(jìn)行注漿作業(yè),如圖1所示。
(2)注漿操作步驟。
①關(guān)閉放氣閥及放漿閥;②將配制好的漿液通過進(jìn)漿口灌入泵體;③打開進(jìn)氣閥,使壓縮空氣進(jìn)入泵體,空壓機(jī)風(fēng)壓0.6~0.7MPa;④打開出漿閥,加入漿液,漿液經(jīng)孔口密封器、管路、導(dǎo)管進(jìn)入地層。
2.2.2 注漿量與注漿效果
(1)注漿量控制。在0.6~0.7MPa風(fēng)壓下進(jìn)行注漿,當(dāng)砂層中無法注入時(注漿口冒漿)為止。理論上,漿液在砂層中符合柱形擴(kuò)散理論,即漿液從注漿管的某一段向土層呈柱狀擴(kuò)散。由于漿液的粘度是不斷變化的,受注地層都是不均質(zhì)的,注漿孔的孔源有時也是不規(guī)整的。假設(shè)為漿液粘度一定、土層均質(zhì)、漿源形狀規(guī)整和漿液為牛頓體,漿液在較低的注漿壓力下,是可以進(jìn)行滲透注漿的,滿足滲透理論。注漿量的可參考推導(dǎo)公式計(jì)算:
Q=πr2na
Q注漿量(cm3);a為柱狀注漿長度(cm);r1漿液擴(kuò)散半徑(cm); n為粉細(xì)砂的孔隙率(%)--0.35。
(2)擴(kuò)散半徑。影響擴(kuò)散半徑的因素很多、很復(fù)雜,很難準(zhǔn)確掌握注漿量和擴(kuò)散半徑的關(guān)系。影響擴(kuò)散半徑的主要因素有:粉細(xì)砂的滲透系數(shù),滲透系數(shù)越大則擴(kuò)散半徑越大;注漿壓力,壓力越大則擴(kuò)散半徑越大;注漿時間,時間越長則擴(kuò)散半徑越大;粉細(xì)砂的孔隙率,注漿量一定時,孔隙率越大則擴(kuò)散半徑越?。粷{液粘度和水的粘度比,粘度越大則擴(kuò)散半徑越小。
(3)注漿效果。改性水玻璃的固砂強(qiáng)度較低,很難通過取樣驗(yàn)證。根據(jù)改性水玻璃的膠凝時間,注漿完成后30min進(jìn)行開挖驗(yàn)證注漿效果,導(dǎo)管周圍形成柱狀砂體,砂層穩(wěn)定,擴(kuò)散半徑25cm~40cm。
(4)影響注漿效果的因素。由于改性水玻璃漿液具有多種性能,為獲得良好的可灌性能與固結(jié)效果,在調(diào)配預(yù)注漿液過程中,需根據(jù)設(shè)計(jì)要求和砂質(zhì)地層特性,合理調(diào)整漿液的技術(shù)參數(shù),以達(dá)到預(yù)期的注漿效果。影響注漿效果的主要因素:
①漿液ph值與膠凝時間:調(diào)整漿液的ph值,可使?jié){液的膠凝時間從瞬間到幾十分鐘之間可供選擇。在實(shí)施中,可根據(jù)需要對膠凝時間進(jìn)行調(diào)節(jié),滿足可注性的要求。
②漿液的稀釋效應(yīng):漿材濃度的變化對漿材的膠凝時間和固化強(qiáng)度具有明顯的影響。漿液濃度越大,膠凝時間越短,其固化強(qiáng)度亦高;漿材濃度降低,其膠凝時間相對延長,但過于稀釋會出現(xiàn)不凝的性狀,同時固化強(qiáng)度也會下降甚至消失。
改性水玻璃注漿具有操作方便、加固效果好、施工進(jìn)度快、成本低、無污染,能解決水泥漿不適宜的粉細(xì)砂地層,對于粉細(xì)砂地質(zhì)的改良具有良好效果,在暗挖隧道施工中得到了應(yīng)用和推廣。但水玻璃漿液作為化學(xué)材料,受地質(zhì)條件、漿材配置和作業(yè)方法等影響,尚存在一些不足,如:①酸性水玻璃的配置沒有理論依據(jù),需要不斷的總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)施工;②酸性水玻璃固砂強(qiáng)度只有0.1-0.4MPa,而且失水后即消散,不能得到高強(qiáng)度固砂體,需在一定的時間內(nèi)完成加固砂層的開挖支護(hù)。隨著改性水玻璃注漿工藝的推廣和工程技術(shù)人員的總結(jié),其注漿工藝和注漿方法將得到不斷的完善和發(fā)展。
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